Способ удаления ледяных сосулек

Изобретение относится к способам удаления льда с крыш зданий и сооружений, с проводов линий электропередач с помощью лазерного излучения. Технический результат, получаемый при использовании изобретения, - повышение эффективности и оперативности удаления ледяных сосулек. Способ удаления ледяных сосулек заключается в направлении на сосульки лазерного излучения с длиной волны в диапазоне 9-11 мкм в виде последовательности импульсов с энергией в импульсе 0,1-100,0 Дж, при этом частоту следования импульсов выбирают в интервале 0,01-30 кГц, а длительность импульсов выбирают не более 100 мкс. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам удаления льда с козырьков крыш зданий и сооружений, с проводов линий электропередач с помощью лазерного излучения.

Удаление льда с различных поверхностей, в частности ледяных сосулек с крыш зданий и сооружений, представляет собой актуальную проблему, так как создает угрозу безопасности людей, особенно в крупных городах, где имеется большое количество высотных зданий и сооружений, и масса сосулек, свисающих с их крыш, может достигать значительной величины.

Известно использование лазерного излучения для удаления льда с поверхностей самолетов [1, 2]. В [3] с этой целью используют лазерное излучение с длиной волны в диапазоне 10-11 мкм, соответствующем области поглощения излучения такими материалами как лед и вода, и плотностью мощности лазерного излучения 25 кВт/м². Механизм удаления льда - тепловой нагрев, фазовый переход лед-вода и испарение воды. Недостаток такого подхода - необходимость ввода в слой льда большой мощности лазерного излучения, что реально позволяет удалять слой льда только небольшой толщины.

В качестве прототипа заявляемого технического решения выбран способ удаления льда с помощью лазерного излучения [4]. Указанный способ заключается в воздействии на сосульки, свисающие, например, с проводов линий электропередач или крыш зданий, лазерным лучом с длиной волны 10,6 мкм, и последующим локальным расплавлением льда. Предпочтительным источником излучения, согласно указанного способа, является инфракрасное излучение СО₂ лазера.

Недостатком указанного способа является то, что удаление льда путем его расплавления требует больших затрат энергии и очень мощного лазера, Кроме того, расплавление сосулек, особенно с большим поперечным сечением, что характерно для областей примыкания сосулек, например, к козырьку крыши здания или проводу линии электропередачи занимает много времени. Это связано с тем, что глубина поглощения излучения с длиной волны 10,6 мкм для льда составляет десятые доли мм.

Указанные недостатки снижают эффективность указанного способа и оперативность удаления ледяных сосулек.

Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности и оперативности удаления ледяных сосулек.

Указанная задача решается тем, что в способе удаления ледяных сосулек, заключающемся в направлении на сосульки лазерного излучения с длиной волны в диапазоне 9-11 мкм, лазерное излучение формируют в виде последовательности импульсов с энергией в импульсе 0,1-100,0 Дж; частоту следования импульсов выбирают в интервале 0,01-30 кГц, а длительность импульсов выбирают не более 100 мкс.

Практическая реализация заявляемого способа иллюстрируется на чертеже. На поверхность ледяной сосульки 1, свисающей, например, с крыши здания направляются импульсы сфокусированного лазерного излучения, генерируемого СО₂ лазером 2, с энергией в импульсе 0,1-100,0 Дж. Длительность импульсов выбирается с учетом скорости распространения тепловой энергии поглощенного излучения в прилегающем к зоне воздействия объеме льда и не должна превышать 100 мкс во избежание потерь и снижения эффективности предлагаемого способа. Расстояние между источником излучения и сосульками может варьироваться в пределах 2-200 м.

Лазерные импульсы направляют в зону сосульки 3 (там, где присутствуют механические напряжения, обусловленные весом сосульки и ее ориентацией в вертикальном направлении) и соседнюю с ней зону 4. В результате действия первого лазерного импульса в сосульке в поперечном направлении распространяется упругая ударная волна, приводящая к появлению и распространению в толще льда микротрещин. К моменту прихода следующего импульса ударная волна, вызванная предыдущим импульсом, частично отражается от границы раздела лед-воздух и возвращается обратно. Таким образом, в области облучения сосульки происходит наложение упругих ударных волн, усиливающее процесс распространения трещин в поперечном сечении сосульки. Концентрация напряжений в этом сечении вследствие постоянного воздействия массы льда и фактического смещения (из-за появления микротрещин) площади поперечного сечения нарастает. Процесс принимает лавинообразный характер и, в конечном итоге, происходит отрыв сосульки и ее падение.

Следует отметить, что облучение может осуществляться в режиме одновременного сканирования лазерным лучом нескольких сосулек. При этом возможны различные режимы работы. В одном варианте частота следования импульсов постоянна во время каждого цикла сканирования (хода луча), но изменяется в следующем цикле; в результате резонируют только те сосульки, у которых частота механических колебаний совпадает с заданной частотой лазерных импульсов. Во втором варианте частота изменяется по определенному закону во время каждого цикла сканирования и может резонировать большее число сосулек.

Механизм удаления ледяных сосулек в заявляемом способе не связан с плавлением льда и, соответственно, требует меньше энергии, чем в способе -прототипе, а также позволяет более быстро удалять сосульки. Это время, по оценкам, не превышает несколько секунд.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент США №4900891, НКИ 219/121.6, 1990 г.

2. Патент США №5823474, НКИ 244/134Е, 1998 г.

3. Патент США №6206325, НКИ 244/134Е, 2001 г.

4. Патент Канады №2222881, МКИ H02G 7/16, 1998 г. (прототип).

1. Способ удаления ледяных сосулек, заключающийся в направлении на сосульки лазерного излучения с длиной волны в диапазоне 9-11 мкм, отличающийся тем, что лазерное излучение формируют в виде последовательности импульсов с энергией в импульсе 0,1-100,0 Дж.

2. Способ удаления ледяных сосулек по п.1, отличающийся тем, что частоту следования импульсов выбирают в интервале 0,01-30 кГц.

3. Способ удаления ледяных сосулек по п.1, отличающийся тем, что длительность импульсов выбирают не более 100 мкс.